罗纳德·汉森与合作者们最近在荷兰进行实验,他们利用微波脉冲分别冲击两个相隔1.3公里远的钻石晶体中的电子以形成纠缠态,然后再使这两束微波脉冲的光子在中点相遇,让光子之间形成量子纠缠,这样相隔1.3公里的两个钻石中的电子也就形成了相互纠缠。之后,实验者再对相隔1.3公里远的两处的电子进行测量。如果这两地之间存在着某种通讯,即使是以光速传播,也需要4.27微秒的时间,而测量只需要3.7微秒,从而杜绝了两地之间进行通讯的可能,实现了世界上首次无漏洞的量子纠缠实验,而这次实验,又一次实现了贝尔不等式的破坏,证明了量子力学非定域性的胜利。
尽管大多数物理学家在此前都预料到了这个结果,人们仍对这个实验给予了极高的评价,维也纳大学的实验物理学家安东·蔡林格(Anton Zeilinger)认为这是一个非常优美的实验,他说:“定域性的观念植入在人们的日常思维中,甚至连物理学家也是如此,因此进行一个无漏洞的(量子力学非定域性)实验非常重要。”滑铁卢理论物理研究所的物理学家马修·莱费尔(Matthew Leifer)甚至认为这是一个诺贝尔奖级别的实验。
实验毫无疑问地证明,处于纠缠态的粒子之间,确实存在着非定域性的瞬时作用。那么,爱因斯坦错了吗?可以说,爱因斯坦对于量子纠缠的判断确实错了,目前从现象上来说,量子纠缠确实违反了相对论,并不存在爱因斯坦所假设的“隐变量”,但是爱因斯坦对于量子力学完备性的质疑,在很长一段时间内恐怕仍然无法解决,并且会一直激励着物理学家们进行探索。
作为量子力学的创始人之一,爱因斯坦并不反对量子力学。实际上,爱因斯坦从未坚持物理学的决定性,他对于量子力学非决定性的理解远比一般人更加激进。问题在于,爱因斯坦始终坚持认为,量子力学是不完备的,在量子力学之下,还隐藏着更加深刻的物理学原理,才使量子世界呈现出概率性。
值得注意的是,虽然量子现象是概率性的,但量子理论却是决定性的,薛定谔方程正是精确的以确定性的方式描述波函数的演化。而一个量子领域的粒子在测量中呈现出何种状态,则取决于波函数的“塌缩”(collapse),这正是尼尔斯·波尔(Niels Bohr)为首的哥本哈根学派所阐述的量子力学的重点,也正是爱因斯坦最不能同意,并与波尔争论了半生的焦点问题,“上帝不是在掷骰子”这句话,正是出自这样的语境中。爱因斯坦并不反对量子力学,但是他完全反对哥本哈根学派对于量子力学的解读。
无论是提出了波函数概念的埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)还是奠定了量子力学数学基础的维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg),都始终没有承认波函数在量子力学中的核心地位,但波函数以及波函数塌缩的概念因为与实验现象相吻合,随着哥本哈根学派的兴盛,逐渐成为物理学界的主流观点,而问题从未消失:波函数究竟是什么?是一种纯粹用于计算的数学概念还是一种切实的存在?它以怎样的形式存在,而当人类对一个量子系统进行测量时,波函数又是如何发生了瞬时塌缩,它为什么可以违反相对论对于速度极限的束缚?测量的本质又是什么?量子力学是否只是对于量子现象的描述性的理论,是否存在更深刻的理论可以解释量子力学?可以说,在这些最基本也是最深刻的问题被解答之前,爱因斯坦与波尔的争论就仍然没有结束。
(本文写作参考了《自然》杂志和《科学美国人》杂志的报道)
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